有效参数的幂平均算法对农田尺度阿特拉津淋溶动态数值模拟的影响

以模拟农田尺度降雨入渗—重分布条件下阿特拉津(atrazine)在非饱和土壤中的淋溶动态为数值算例,通过在北京东郊的一块27m×27m的农田采集100个土壤样品,测定其主要理化性质,间接计算获得各土壤样品的van Genuchten型水力学参数、溶质运移的弥散度及atrazine在土壤中吸附的分配系数,进而基于柱模型假设,运用HY DRUS 1D软件得到不同时刻采样区内土壤水负压和atrazine浓度的平均分布。在此基础上,重点探讨了应用幂平均算法计算不同的等价有效参数对农田尺度下土壤水负压和atrazine浓度平均分布的数值模拟精度的影响。就所设计的降雨入渗—重分布条件下atrazine淋溶的算例而言,土壤水力学参数、溶质运移参数和吸附特性参数取几何平均或调和平均作为有效参数值,空间平面上呈正态分布的土壤水负压的初值采用算术平均值作为流场模拟的初始条件,可以获得满意的数值模拟结果。     

平均粒径对砂土剪切特性的影响及细观机理

针对平均粒径对砂土剪切特性的影响作用,结合室内试验和离散元模拟方法对不同平均粒径砂土进行了细观研究。基于3种不同平均粒径砂土的直剪试验结果,通过建立反映砂土剪切试验特征的PFC（particle flow code）颗粒流模型,详细研究了不同粒径砂土在剪切过程中土样体积变化、力链网络、孔隙率和配位数等细观结构参数的变化特征和规律,并从细观角度分析了颗粒粒径对土样宏观剪切特性的影响机制。结果表明：具有不同平均粒径砂土的细观结构参数在剪切过程中存在显著差异,并且其细观参数差异主要集中体现在剪切带处;剪切力学特性的影响主要体现在抗剪强度和剪胀效应方面,砂土平均粒径越大,抗剪强度越高,剪胀效应越明显;具有不同平均粒径的砂土在剪切过程中土颗粒运动规律及剪切带形态变化特征存在一定的差异,平均粒径越大,剪切带内上跨式颗粒占比越大,剪切带厚度越大。     

平均有效应力对煤系页岩瓦斯微观吸附-解吸特性影响试验研究

页岩气井初期和后期产气规律差异本质上是三维应力变化下微观游离态、吸附态瓦斯赋存运移产出机制不同。为从微观角度揭示平均有效应力对煤系页岩气井生产初期游离态瓦斯和后期吸附态瓦斯产出规律影响,以双鸭山盆地东保卫煤矿36~#煤层底板煤系页岩为研究对象,采用核磁共振T₂谱技术对模拟原位应力状态煤系页岩试样进行瓦斯微观吸附-解吸试验。以平均有效应力作为煤系页岩所受原位应力状态指标,以核磁共振T₂谱幅值积分作为煤系页岩微观吸附态、游离态瓦斯含量定量表征指标,定量研究了吸附-解吸过程中煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯含量与平均有效应力的关系,及微观吸附态和游离态瓦斯迟滞系数与平均有效应力的关系,通过多因素线性回归明确了平均有效应力对煤系页岩微观吸附态和游离态瓦斯赋存产出规律影响。试验发现:吸附-解吸过程煤系页岩微观吸附态瓦斯含量与平均有效应力关系分别符合Dubinin-Radushkevich(简称D-R)函数模型和Weibull函数模型,吸附-解吸过程微观游离态瓦斯含量与平均有效应力均符合线性函数模型;微观吸附态瓦斯迟滞系数随着平均有效应力降低以对数函数规律...     

节理对爆炸波传播影响的数值研究

采用加入无反射边界条件的DDA程序,研究了节理面对应力波传播的影响。结果表明,节理面能阻碍波的传播,有利于波的衰减,节理面越多,波的反射越强,而波的透射越弱。模拟了一个现场爆炸试验,研究爆炸产生的应力波在节理岩体中传播、衰减的规律,模拟结果与现场试验结果比较吻合。研究表明,DDA方法可以模拟节理面对应力波传播的阻碍作用,用它来模拟爆炸波在节理岩体中的传播是适用的。     

地下水对边坡稳定性影响的数值模拟研究

边坡的失稳与地下水有很大关系,针对这一特点,利用有限元方法分析了地下水的变化对边坡稳定性的影响,研究了在地下水作用下,边坡体内应力场及位移场的分布规律。同时采用有限元方法、瑞典圆弧法(Fellenius 法)、简化毕肖普(Bishop 法)、简布法(Janbu 法)等多种边坡稳定安全系数分析方法计算了不同地下水位条件下边坡的安全系数,综合分析地下水位变化对边坡稳定性的影响,为边坡防护体系的设计提供理论依据。     

硫酸钠对水泥土的强度及微观孔隙影响研究

通过不同含量的硫酸钠水泥土抗压强度测试,分析硫酸钠对水泥土X射线衍射（XRD）物相成分改变的化学反应过程,对比分析经Image-ProPlus6.0（IPP）软件处理前、后的微观扫描电镜试验（SEM）图像,计算放大200倍下SEM图像的孔隙平均直径分布规律,探讨硫酸钠对水泥土宏观强度与微观孔隙的影响规律。结果表明,硫酸钠充分参与了水泥土的固化过程,促进了Ca(OH)2、CaSO4、CaCO3与C-A-S-H等水化产物的生成;水泥土强度随硫酸钠含量增加而增大,在含量等于9g/kg时达到最大值;硫酸钠使水泥土的孔径分布发生改变,放大200倍下水泥土微观图像孔隙率随着硫酸钠含量的增大呈减小趋势;当硫酸钠含量小于9g/kg时,生成的水化产物使水泥土的结构呈现较强的粒状-镶嵌-胶结结构,对强度有利,当硫酸钠含量较大时,水化产物产生的膨胀力大于胶结力,使其强度下降。     

功能组分对固化土早期强度的影响研究

根据红黏土的特点,为解决其固化土早期强度低、水稳定性差等问题,提出了使用膨胀组分、早强组分、减薄双电层结构组分、防水组分等功能组分来提高硫铝酸盐水泥固化土的早期强度。通过单掺试验,优选出了硬脂酸铝、三乙醇胺、Fe(NO_3)_3和石膏作为土壤固化材料的功能组分,并通过正交试验,确定了功能组分的最优配方。在该配方下,固化土的7d无侧限抗压强度达到了8.60 MPa。利用XRD、SEM等微观表征,对比分析了掺入功能组分前、后固化土的矿物组成以及微观形貌结构变化,结果表明:适量的功能组分掺入有利于高强、难溶具有膨胀性的矿物晶体生成,从而提高固化土早期强度,但功能组分掺量过高,由于矿物晶体过多膨胀作用以及憎水膜的阻碍作用,改变了固化土的联结方式,使其早期强度降低。     

渗透系数对砂土液化震陷影响的数值研究

饱和砂土在地震荷载的作用下往往会产生液化变形,包括竖向震陷和侧向扩展。砂土由于液化的作用,其渗透系数会发生改变,而目前描述砂土液化变形的本构模型均采用常量渗透系数,这是造成自由场地的震陷数值模拟结果低于试验观测值的重要原因之一。利用开源有限元平台Open Sees对饱和砂土的自由场地震陷进行模拟分析,对比离心机模型试验,分析了渗透系数对饱和砂土液化震陷的影响。为进一步提高数值模拟的准确性,采用了适合于动力分析及液化模拟的边界面模型。与固定渗透系数模型相比,最终提出的变渗透系数模型允许液化状态的渗透系数升高为初始值的数倍,该模型模拟结果较好,可以作为从渗透模型角度提高数值模拟精度的近似考虑。通过一系列的模拟和分析发现,采用合理的变渗透系数模型,可在一定程度上提高砂土自由场地地震液化震陷的数值模拟精度。     

路基边界对瑞利波检测影响的数值模拟研究

瑞利波检测被广泛应用于路基工程质量检测中,但对于瑞利波沿三维路基体的传播规律以及对检测结果的影响,尚缺乏深入研究.笔者利用有限差分软件FLAC3D,对单层介质半无限大体和三维路基体的瑞利波传播特性以及频散曲线进行了数值模拟分析;并与半无限体的瑞利波理论频散曲线进行了对比;讨论了三维路堤边界对瑞利波检测路基路面的影响.     

淄博煤矿矿坑排水对地表水体的污染及对地下水水质影响的研究

以山东淄博煤田富硫煤（w（St＞2％）煤矿作为典型研究区,阐述了由于直接排放酸性、高SO4离子、高硬度和较高矿化度（TDS）的矿坑水导致的地表水体及地下水的污染。研究区内地表水体的水质主要受控于矿坑排水的质量,区内主要河流、水库已被污染。引用这种受污染的地表水进行灌溉,会引起浅层地下水的严重污染,并影响到饮用此类地下水的人们的身体健康。为揭示污水灌溉过程中水-岩相互作用及地下水污染的机理,进行了现场土柱模拟实验,分别模拟了污水灌溉和降水入渗过程。实验结果表明,污水灌溉过程中SO4-不会被吸附,也不会产生沉淀,因此,污水灌溉是污灌区地下水受污染的主要原因。降水入渗实验表明,污灌区土壤中的SO4-,Ca2+和Mg2+,也可以通过降水淋滤进入地下水,这是污灌区地下水受污染的另一条途径。就对水环境的影响而言,酸性煤矿矿坑排水的环境效应是负面的,应予以高度重视。     

不同类型下边界条件对模拟灌溉农田水分渗漏的影响

以田间试验为基础,采用土壤水动力学模型,分别以自由排水、负压水头和地下水埋深三种情况作为下边界,模拟计算了灌溉农田1998年10月-2001年9月期间2 m土体的水分渗漏情况。采用地下水埋深下边界时所得到的剖面分层土壤含水量的模拟值与实测值都比较吻合,而采用自由排水和负压水头下边界时均存在不同程度的偏差。通过与定位通量法估算的水分渗漏动态及累积渗漏量做进一步比较,发现采用地下水埋深下边界时其水分渗漏的动态变化趋势与定位通量法基本一致,因此模型采用地下水埋深作为下边界比较符合当地的实际情况。     

基于数值模拟的汾河二库对晋祠泉岩溶水系统渗漏补给作用研究

汾河二库的下闸蓄水,改变了晋祠泉域汾河地表水对岩溶水的渗漏补给条件,对区域岩溶水流场变化有着长远的影响。本研究通过系统梳理库区水文地质条件,勾画地表水渗漏补给岩溶水范围,考虑地层岩性、蓄水高度等因素,确定二库不同蓄水水位下晋祠泉域获渗漏量占比;构建晋祠泉三维岩溶地下水流模型,研究二库渗漏对泉域岩溶地下水补给作用,并预测不同蓄水情景下晋祠泉口水位变化趋势。结果表明：晋祠泉域获渗漏量占比随二库蓄水位非线性变化,最低为92.8%,在二库蓄水位达902 m后稳定在93.7%,而渗漏量与二库蓄水高度呈正相关;泉域岩溶水径流区受渗漏补给作用最显著,其次为排泄区、北部补给区;渗漏补给作用下,地下水位回升值受二库水位和补水距离影响;维持设计水位（905.7 m）和2017年水位（895.9~902.4 m）时,预计晋祠泉口水位分别在2021年7月和2023年1月达到泉口高程。     

若尔盖高原典型泥炭湿地水量平衡计算

若尔盖泥炭湿地具有蓄水、固碳和生态的重要功能,其地下水水位变化决定泥炭湿地面积维持或萎缩,但是其泥炭湿地的地下水水文过程和水量动态变化缺少系统的野外监测和研究。结合红原站气象资料,并于2017年5月、7月和9月在若尔盖黑河上游泥炭湿地典型小流域开展野外原位监测,利用MODFLOW模型建立小流域三维动态地下水运动模型,模拟地下水运动过程并计算水量动态平衡变化以及沟道排水能力。结果表明:泥炭湿地的主要补水方式是降雨,占补水总量的60%,其主要出流方式是沟道排水,排水比例最高达到53%;其次是潜水蒸发,出流比例为26%。切穿泥炭层的沟道排水能力是未切穿泥炭层沟道的2.5倍。若尔盖泥炭地的地下水位受降雨影响呈现季节性波动,在雨季其涨幅约为0.5 m。     

表面约束下的沉桩挤土效应数值模拟研究

采用数值方法对表面约束下的沉桩挤土效应进行了研究。以道路约束为例，讨论了不同宽度道路以及道路与浅基础共同约束时，对沉桩挤土引起的地表隆起及水平位移的影响，得出若干有参考价值的结论。     

新疆乌拉泊水均衡试验场凝结水对地下水补给的观测研究

通过1989~1995年新疆乌拉泊水均衡试验场潜水埋深4m处包气带凝结水对地下水补给的观测:卵砾石2.58mm/a、细砾3.15mm/a、中砂9.90mm/a、细砂35..87mm/a、粉土10.04mm/a。最有利于包气带凝结水形成的时间是每年的4~9月;包气带凝结水量的大小与土体颗粒相对比表面积和渗透系数相关,推测粉砂的凝结水量约为20mm/a,粘性土小于10mm/a;凝结水对地下水补给的最大量约为50mm/a。综合气候和水文地质条件分析,认为本试验研究成果在我国西北干旱区具有代表性,估算西北地区凝结水对地下水的总补给量大于3×1010m3/a,可能大于平原降水入渗量,在某些区域可能是最主要的地下水补给源。     

广东岩溶区某输电塔桩基稳定性数值模拟分析

采用数值模拟手段研究了广东某岩溶区输电塔桩基与下伏溶洞协同变形的规律。通过不同位置应力、位移、塑性区变化监测,发现覆盖层部分应力分布较均匀,受溶洞影响较小,但溶洞围岩应力变化较大,溶洞顶板出现较大的向下弯曲变形,桩底下移明显,特别是当桩基荷载较大且下伏覆溶洞埋深较浅时,溶洞顶板将可能失稳,进而引起桩基破坏。不同嵌岩深度桩基变形特征表明,桩基嵌岩深度与溶洞变形具有正相关关系。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——空间分布的比较

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）,在一个水平衡和水稳定同位素平衡的框架下以及在相同的气象驱动下,模拟在不同的下垫面蒸发和不同的云中凝结分馏条件下降水中稳定同位素效应的空间分布特征,并通过与GNIP实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示云中的稳定同位素分馏和从下垫面蒸发的水汽同位素δ_e对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对全球水循环中稳定同位素效应的理解和认识。结果显示：iAWBM的4个模拟试验均很好地再现了全球降水中平均δ¹⁸O和平均δ¹⁸O季节差的空间分布特征;很好地模拟了降水同位素的温度效应、降水量效应的分布特点以及全球的大气水线MWL;比较而言,平衡分馏假设下模拟的全球降水中平均δ¹⁸O的空间分布与根据GNIP数据得到的实际空间分布以及模拟的全球MWL与实际MWL最接近,且模拟效果亦最好;动力分馏假设下模拟的降水中δ¹⁸O平均季节差的空间分布与根据GNIP数据得到的实际分布之间的相关程度较好,且拟合水平明显提高;在动力分馏和δ_e季节性的假设下,iAWBM再现全球δ¹⁸O-T和δ¹⁸O-P相关关系空间分布的能力较强。     

下垫面蒸发和云中凝结分馏对降水稳定同位素影响的数值试验——时间变化的比较(以长沙降水同位素为例)

利用稳定同位素大气水平衡模式（iAWBM）的模拟数据,分析了在不同的下垫面蒸发和不同的凝结分馏条件下降水中δ¹⁸O的时间变化、降水量效应、负温度效应和大气水线。并通过与长沙站5年实测数据的比较以及模拟试验结果之间的相互比较,揭示下垫面蒸发水汽中稳定同位素的季节性变化和云中稳定同位素分馏对降水中稳定同位素变化的可能影响,增进对季风区水稳定同位素效应的理解和认识。iAWBM给出的4个模拟试验均很好地再现了监测站降水中δ¹⁸O的时间变化,模拟出季风区降水中稳定同位素在暖半年被贫化、在冷半年被富集的基本特点。与平衡分馏相比,动力分馏下降水中稳定同位素被贫化的程度加强、季节差和离散程度减小;由下垫面蒸发水汽中稳定同位素δ_e季节性变化所引起的降水中稳定同位素的变化在不同季节完全相反：在长沙,暖半年降水中δ¹⁸O更低,冷半年降水中δ¹⁸O更高,使得降水中稳定同位素季节差和离散程度增大。4个模拟试验均很好地再现了季风区的降水量效应和负温度效应。与平衡分馏相比,动力分馏下模拟的降水量效应和负温度效应的斜率相对较小;δ_e季节性变化导致模拟的降水量效应和负温度效应的斜率增大。利用iAWBM,模拟出季风区湿热气候条件下的MWL。动力分馏以及δ_e季节变化均使模拟得到的MWL的斜率和截距减小。     

Clogging mechanism in the process of reinjection of used geothermal water: A simulation research on Xianyang No.2 reinjection well in a super-deep and porous geothermal reservoir

In the process of geothermal exploitation and utilization, the reinjection amount of used geothermal water in super-deep and porous reservoir is small and significantly decreases over time. This has been a worldwide problem, which greatly restricts the exploitation and utilization of geothermal resources. Based on a large amount of experiments and researches, the reinjection research on the tail water of Xianyang No. 2 well, which is carried out by combining the application of hydrogeochemical simulation, clogging mechanism research and the reinjection experiment, has achieved breakthrough results. The clogging mechanism and indoor simulation experiment results show: Factors affecting the tail water reinjection of Xianyang No. 2 well mainly include chemical clogging, suspended solids clogging, gas clogging, microbial clogging and composite clogging, yet the effect of particle migration on clogging has not been found; in the process of reinjection, chemical clogging was mainly caused by carbonates (mainly calcite), silicates (mainly chalcedony), and a small amount of iron minerals, and the clogging aggravated when the temperature rose; suspended solids clogging also aggravated when the temperature rose, which showed that particles formed by chemical reaction had a certain proportion in suspended solids.